MÔ HÌNH HOÁ VÀ MÔ PHỎNG Dr Ing. Đỗ Mạnh Cường 305 – Hitech Center Email: mcuong77@gmx.de Trường Đại học Bách khoa Hà nội - Khoa Điện - Bộ môn Tự động hoá Xí nghiệp Công nghiệp HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 2 I. Giới thiệu chung về môn học Giáo trình: • Nguyễn Công Hiền, Nguyễn Phạm Thục Anh „Mô hình hoá hệ thống và mô phỏng“ NXB Khoa học và kỹ thuật – 2006. • Huỳnh Thái Hoàng “Mô hình hóa, nhận dạng và mô phỏng” Tài liệu tham khảo: • Các bài báo trong các tạp chí nước ngoài về môn học. Yêu cầu và mục tiêu của môn học: • Làm việc theo nhóm. • Tiếng Anh. • Khả năng sử dụng máy tính, lập trình cơ bản để xây dựng mô hình của một hệ thống. Khuyến khích khả năng làm việc độc lập và sáng tạo !!! HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 3 II.1 Tổng quan về Mô hình hoá và mô phỏng Lịch sử ra đời: • Được ra đời từ những năm 40 của TK20 (WW.II) Ph ạm vi ứng dụng và nghiên cứu : • Được ứng dụng trong hầu hết các lĩnh vực, ở nhiều cấp độ khác nhau: – 100% các cơ sở nghiên cứu phát triển sử dụng phương pháp mô hình hoá và các công cụ mô phỏng. – Hơn 90% các hãng sản xuất sử dụng kỹ thuật mô phỏng trong các giai đoạn sản xuất (nghiên cứu, tối ưu hoá và phát triển các sản phẩm mới). • Ngày càng nhiều các hãng đầu tư vào phát triển kỹ thuật mô phỏng. HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 4 II.1 Tổng quan về Mô hình hoá và mô phỏng Thế nào là mô hình hoá ? • Nhận dạng một đối tượng hay hệ thống. • Xác định được các thành phần (yếu tố) chính, cốt lõi và cần thiết. • Phân tích các tác động qua lại giữa chúng. Tại sao phải mô hình hoá ? • Có được sự hiểu biết về đối tượng hay hệ thống đang quan tâm. • Để dự đoán, mô phỏng và điều khiển. • Phát hiện các vấn đề mới phát sinh HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 5 II.2 Một số khái niệm cơ bản • Đối tượng (Object): • Hệ thống (System): • Trạng thái của hệ thống (State of System): • Mô hình (Model): • Mô hình hoá (Modelling): • Mô phỏng (Simulation, Imitation): HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 6 II.3 Hệ thống và mô hình hệ thống Ví dụ II.1: Hệ thống ổn định tốc độ của động cơ điện một chiều BĐK Mạch lực ĐCMC Tải r(t) y(t) e(t) u(t) r(t): Tín hiệu đặt y(t): Tín hiệu thực e(t): Sai lệch u(t): Tín hiệu điều khiển + - HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 7 II.3 Hệ thống và mô hình hệ thống Ví dụ II.2: Hệ thống điều hành nhà máy nhiệt điện Cấp liệu Lò hơi & gia nhiệt Turbin Đầu vào Kế hoạch sản xuất Máy phát Phân phối điện TRUNG TÂM ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 8 II.3 Hệ thống và mô hình hệ thống Sự kiện (Event) Trạng thái của hệ thống tại một thời điểm nhất định được mô tả bởi tập hợp các biến trạng thái (state variables) Thực thể (Entity) Các thuộc tính (Attributes) Các hoạt động? (Activities) HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 9 II.3 Hệ thống và phương pháp nghiên cứu hệ thống Nghiên cứu hệ thống Hệ thực Mô hình thay thế Ưu điểm: - Cho kết quả sát thực nhất Nhược điểm: - Tốn kém - Không phải lúc nào cũng khả thi Ưu điểm: - Đơn giản và thuận tiện nhất. - Chi phí thấp, hoàn toàn khả thi Nhược điểm: - Độ chính xác không cao HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 10 II.4 Xu hướng phát triển của Mô hình hoá và mô phỏng Ban đầu, phương pháp giải tích được áp dụng để mô hình hoá hệ thống. Phương pháp mô phỏng được phát triển và ứng dụng rộng rãi nhờ ứng dụng công nghệ máy tính => Xây dựng mô hình mô phỏng: - Độ chính xác cao hơn. - Gần sát với hệ thống thực hơn. - Áp dụng được cho các hệ thống lớn, có cấu trúc phức tạp. - Thiết kế lựa chọn cấu trúc, tối ưu và dự đoán trạng thái của hệ thống. - Định hướng khi xây dựng các hệ thống mới. [...]... • • • • Mô hình tiền định (predictive)  Mô hình ngẫu nhiên (random) Mô hình tĩnh (static)  Mô hình động (dynamic) Mô hình tuyến tính (linear)  Mô hình phi tuyến (nonlinear) Mô hình liên tục (continuous)  Mô hình gián đoạn (discrete) Mô hình vật lý (physical)  Mô hình toán học (mathematical) Mô hình giải tích (analytic)  Mô hình mô phỏng (simulated) MÔ HÌNH HỆ THỐNG MÔ HÌNH VẬT LÝ MÔ HÌNH TOÁN... quả mô phỏng Sử dụng và lưu trữ kết quả mô phỏng HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 11 IV 4 Mô hình nguyên lý Mô hình nguyên lý (conceptual model): • • • • • • • • Mô hình bài toán tối ưu hoá Mô hình bài toán quy hoạch tuyến tính Mô hình bài toán vận tải Mô hình trò chơi Mô hình mạng lưới Mô hình tin cậy Mô hình quản lý dự trữ Mô hình hàng đợi HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie... của mô hình (development) • Độ tin cậy (reliability) • Độ chính xác (accuracy) HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 14 III.3 Phân loại Mô hình hệ thống • • • • • • Mô hình tiền định (predictive)  Mô hình ngẫu nhiên (random) Mô hình tĩnh (static)  Mô hình động (dynamic) Mô hình tuyến tính (linear)  Mô hình phi tuyến (nonlinear) Mô hình liên tục (continuous)  Mô hình gián đoạn (discrete) Mô. .. quả mô phỏng (*): Hình 3.1 Trang 24 HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 10 IV 3 Các bước nghiên cứu mô phỏng Các bước nghiên cứu mô phỏng: • • • • • • • • • Mục tiêu và kế hoạch nghiên cứu Thu thập dữ liệu và xác định mô hình nguyên lý Hợp thức mô hình nguyên lý Xây dựng mô hình mô phỏng Chạy thử mô hình Kiểm chứng mô hình mô phỏng Lập kế hoạch và thực nghiệm mô phỏng Xử lý kết quả mô phỏng... (discrete) Mô hình vật lý (physical)  Mô hình toán học (mathematical) Mô hình giải tích (analytic)  Mô hình mô phỏng (simulated) MÔ HÌNH HỆ THỐNG MÔ HÌNH VẬT LÝ MÔ HÌNH TOÁN HỌC • Tính đồng nhất (identity) • Tính thực dụng (usability) HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 15 III.4 Các nguyên tắc xây dựng mô hình Ví dụ III.1: Xây dựng mô hình toán học của đối tượng HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation... (fault diagnosis) • HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 8 IV Phương pháp Mô phỏng – IV.1 Khái niệm về mô phỏng Mô phỏng là gì ? Mô phỏng là quá trình xây dựng mô hình toán học của hệ thống thực và sau đó tiến hành tính toán thực nghiệm trên mô hình thực tế để mô tả, giải thích và dự đoán hành vi của hệ thống thực” Các ứng dụng mô phỏng: • Thiết kế và phân tích hệ thống điều khiển, lập... Tính thực dụng (usability) HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 3 III.4 Các nguyên tắc xây dựng mô hình Ví dụ III.1: Xây dựng mô hình toán học của đối tượng HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 4 III.4 Các nguyên tắc xây dựng mô hình Dễ dàng thay đổi và khả năng tái sử dụng: • Các phân tích dựa trên kinh nghiệm và khả năng tái sử dụng các mô hình • Các phân tích thông minh để lập kế... Ứng dụng của Mô hình hoá và mô phỏng Nghiên cứu, xây dựng mô hình các hệ thống chưa có thực: • Mô phỏng các hệ thống lớn, phức tạp, có tính ngẫu nhiên cao • Mô phỏng các hệ thống sản xuất • Ứng dụng trong giải trí (game), kinh doanh và quân sự • Các hệ thống ảo All models are wrong -but some are useful !!! C Chatfield HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 12 III Khái niệm về Mô hình hệ thống... 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 1 III.2 Các đặc điểm Mô hình hệ thống • Tính mục tiêu (propose) • Độ phức tạp (complexity) • Hành vi của mô hình (behavior) • Tính thích nghi (adaptability) • Tính điều khiển được (controllability) • Khả năng phát triển của mô hình (development) • Độ tin cậy (reliability) • Độ chính xác (accuracy) HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 2 III.3 Phân loại Mô hình. .. Các phương pháp mô phỏng và ứng dụng Các phương pháp mô phỏng: • Mô phỏng liên tục (continuous simulation): • Mô phỏng gián đoạn (discrete simulation): • Mô phỏng hỗn hợp liên tục – gián đoạn (combined simulation) • Mô phỏng Monte – Carlo: (Monte – Carlo simulation) HUT, 05.03.2014 Modelling and Simulation Folie 13 V.1 Khái niệm về Mô hình hoá hệ ngẫu nhiên • • • Hệ thống ngẫu nhiên S (Random System)?